王建杰　楊克檉　李懿

摘要：X（γ）射線與物質(zhì)的相互作用規(guī)律是醫(yī)學(xué)物理學(xué)的基本問題之一，涉及到許多復(fù)雜抽象的理論，而實(shí)驗(yàn)教學(xué)由于條件所限往往難以開展，影響教學(xué)質(zhì)量。利用NIST物理學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)開展模擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不但加深了對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握，而且提高了綜合應(yīng)用能力。

關(guān)鍵詞：醫(yī)學(xué)物理；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；NIST在線數(shù)據(jù)庫(kù)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）37-0262-03

實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)教學(xué)的重要組成部分，不但能加深對(duì)復(fù)雜、抽象的理論知識(shí)的理解和掌握，而且有助于培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)踐的動(dòng)手能力。醫(yī)學(xué)物理學(xué)，作為生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)本科生的必修專業(yè)基礎(chǔ)課，基本問題之一是X（γ）射線與物質(zhì)的相互作用規(guī)律，所涉及的光電效應(yīng)、康普頓散射和電子對(duì)效應(yīng)等概念僅通過課堂講授往往難以達(dá)到滿意的效果。但是，由于缺乏實(shí)驗(yàn)設(shè)備和存在輻射傷害等各種原因?qū)嶒?yàn)教學(xué)往往難以開展，客觀上影響后續(xù)教學(xué)的順利進(jìn)行。

近年來(lái)，得益于計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的研究日益受到重視，并在醫(yī)學(xué)物理學(xué)教學(xué)中展現(xiàn)了良好的前景[1-3]。另一方面，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及，許多學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)對(duì)外開放在線數(shù)據(jù)庫(kù)，共享各個(gè)學(xué)科的經(jīng)過權(quán)威認(rèn)證的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，極大地方便了科研和教學(xué)[4]。順應(yīng)教學(xué)改革大潮，我們對(duì)放射物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了積極的改革嘗試，取得了良好的效果。下面以“X射線與物質(zhì)的相互作用規(guī)律”內(nèi)容為例，介紹如何利用NIST物理學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)和開展模擬實(shí)驗(yàn)課。

一、教學(xué)實(shí)踐

物理實(shí)驗(yàn)課分為實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)實(shí)施和實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫三個(gè)階段。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課不同，本實(shí)驗(yàn)不需要在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，布置在自習(xí)課和課后自行完成。教師根據(jù)情況調(diào)整進(jìn)度，對(duì)出現(xiàn)的問題進(jìn)行集中講解。

（一）實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

在理論課后教師以布置作業(yè)的形式安排學(xué)生利用課后時(shí)間上網(wǎng)了解NIST官網(wǎng)，掌握相關(guān)資源的使用方法。根據(jù)學(xué)習(xí)進(jìn)度，實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備可分若干次按步驟進(jìn)行。這樣，教師可及時(shí)了解學(xué)生的準(zhǔn)備情況，合理安排實(shí)驗(yàn)任務(wù)，對(duì)存在的問題進(jìn)行答疑。

NIST從事物理、生物和工程等學(xué)科的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，提供標(biāo)準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)參考數(shù)據(jù)及有關(guān)服務(wù)，在國(guó)際上享有盛譽(yù)。其定期更新的可靠、權(quán)威的科學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)，被廣泛應(yīng)用于教學(xué)、科研和生產(chǎn)。其中，在物理學(xué)的“X-Ray and Gamma-Ray Data”和“Radiation Dosimetry Data”兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)可分別檢索物質(zhì)的線性衰減系數(shù)和阻止本領(lǐng)等[5]。為使學(xué)生熟練掌握XCOM程序檢索數(shù)據(jù)庫(kù)，教師可結(jié)合具體的例子講授。例如，計(jì)算水對(duì)70keV的X線衰減系數(shù)，按如圖1所示流程，進(jìn)入XCOM主頁(yè)，在“Database Search Form”表格中選擇物質(zhì)類別（水為“Compound”），然后在主界面“Fill the form”相應(yīng)位置輸入水的分子式（H2O）和X線能量（0.07 MeV），程序自動(dòng)生成總的質(zhì)量衰減系數(shù)和各相互作用（瑞利散射、康普頓散射、光電效應(yīng)、電子對(duì)效應(yīng)）截面。以此類推，可得到不同物質(zhì)與不同能量的X射線相互作用的數(shù)據(jù)。

（二）實(shí)驗(yàn)實(shí)施

實(shí)驗(yàn)實(shí)施階段教學(xué)的重點(diǎn)是設(shè)置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。為鍛煉學(xué)生獨(dú)立思考和解決問題的能力，關(guān)鍵是提出問題，讓學(xué)生始終圍繞問題去采集數(shù)據(jù)、完成實(shí)驗(yàn)，典型的包括：X射線與物質(zhì)的相互作用過程及其對(duì)成像的影響；在醫(yī)學(xué)放射成像應(yīng)用中，“物質(zhì)”具體指什么；為達(dá)到成像的目的，即分辨體內(nèi)不同組織，X射線的能級(jí)應(yīng)該選擇什么范圍；等等。這樣，整個(gè)實(shí)驗(yàn)實(shí)施過程就會(huì)有很強(qiáng)的目的性，學(xué)生在課后可根據(jù)情況獨(dú)立或自由組隊(duì)協(xié)作進(jìn)行。教師在每節(jié)理論課結(jié)束時(shí)安排時(shí)間檢查實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，對(duì)出現(xiàn)的問題做提示和講解。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)該采集多少樣本，并不需要設(shè)置統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，只要能回答預(yù)設(shè)的問題，達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康募纯?。?所示為某一份作業(yè)，列出了體內(nèi)幾種組織及主要組成元素與70keV的X線的相互作用數(shù)據(jù)。

（三）實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫

為了鍛煉學(xué)生的科技論文的寫作能力，培養(yǎng)科學(xué)的思維方法，我們對(duì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告部分的內(nèi)容做了適當(dāng)?shù)母淖儯髮W(xué)生單獨(dú)或組隊(duì)按照“四段式”科技論文的格式完成一篇小論文。

背景部分主要內(nèi)容是闡明科學(xué)問題和實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，而不是把課本上的公式照抄一遍。材料與方法部分除了描述數(shù)據(jù)采集過程外，更重要的是描述數(shù)據(jù)分析方法。結(jié)果部分主要以圖、表形式直觀、定量地反映科學(xué)規(guī)律，回答實(shí)驗(yàn)前布置的問題。如圖2所示，通過繪制百分比堆積柱形圖可直觀地顯示不同相互作用占比隨物質(zhì)不同而變化的規(guī)律，為后續(xù)討論部分的寫作做好了鋪墊?？萍颊撐牡暮诵氖怯懻摬糠?，目的是解釋現(xiàn)象、分析原因、闡述觀點(diǎn)，是論文質(zhì)量?jī)?yōu)劣的標(biāo)尺。對(duì)于本科生來(lái)說，寫好討論是一件很不容易的事。為引導(dǎo)學(xué)生順利完成，一是在課堂上通過范圍講解寫作思路和技巧；二是提出問題，讓學(xué)生帶著問題來(lái)組織內(nèi)容，比如實(shí)驗(yàn)結(jié)果反映了什么規(guī)律及其對(duì)臨床應(yīng)用有何指導(dǎo)意義。

此外，我們采取多種形式提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。鼓勵(lì)學(xué)生交流實(shí)驗(yàn)報(bào)告的寫作體會(huì)，在課堂上對(duì)論文給予點(diǎn)評(píng)，對(duì)優(yōu)秀的論文進(jìn)行單獨(dú)指導(dǎo)、修改，選擇合適的雜志投稿。

二、教學(xué)效果

經(jīng)過幾年來(lái)不斷的摸索和實(shí)踐，我們充分利用諸如NIST在線數(shù)據(jù)庫(kù)的網(wǎng)絡(luò)資源，逐漸形成了一套行之有效的模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，達(dá)到了預(yù)期目的。首先，通過實(shí)驗(yàn)加深了學(xué)生對(duì)深?yuàn)W理論的理解，從一知半解提高到定量掌握，為放射物理學(xué)這一章節(jié)的教學(xué)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。從圖2容易理解，由于鈣的光電效應(yīng)占優(yōu)勢(shì)，所以圖像上含鈣高的骨骼表現(xiàn)為亮區(qū)。同樣，碘的光電效應(yīng)占比達(dá)93.8%，在相互作用中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，因此被用作對(duì)比劑。其次，引導(dǎo)學(xué)生充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，既鍛煉了學(xué)生查閱文獻(xiàn)、資料的能力，同時(shí)有助于了解最新的科研動(dòng)態(tài)和前沿知識(shí)，拓寬視野，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情。為了獲得體內(nèi)組織的數(shù)據(jù)，學(xué)生要查閱之前所學(xué)的醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)課本，綜合應(yīng)用能力得到提高。第三，通過論文寫作的訓(xùn)練，學(xué)生初步了解了科技論文的基本要求和一般格式，提高了數(shù)據(jù)分析能力和圖表的制作水平，對(duì)科研思維和創(chuàng)新能力的養(yǎng)成起到了積極的促進(jìn)作用。部分學(xué)生還積極參與教研室組織的第二課堂活動(dòng)，在老師的指導(dǎo)下申請(qǐng)學(xué)院的獎(jiǎng)學(xué)金資助課題。此外，自主實(shí)驗(yàn)促進(jìn)了同學(xué)之間的相互討論和交流，有利于增進(jìn)友誼和培養(yǎng)團(tuán)結(jié)協(xié)作精神。

三、結(jié)論

利用網(wǎng)絡(luò)資源（比如NIST在線數(shù)據(jù)庫(kù)）進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)可作為生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)本科生的醫(yī)學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有益補(bǔ)充，不但簡(jiǎn)便易行，無(wú)需額外的實(shí)驗(yàn)條件，而且效果良好，在使學(xué)生加深對(duì)理論知識(shí)掌握的基礎(chǔ)上，還有助于提高查閱資料能力、鍛煉科技論文寫作水平。這樣的實(shí)驗(yàn)方法可擴(kuò)展應(yīng)用到醫(yī)學(xué)物理教學(xué)的其他環(huán)節(jié)。

參考文獻(xiàn)：

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[5]http：//www.nist.gov/pml/data/.